IFAS工藝處理實驗室廢水應用研究

馬森林，楊惠蘭，杜世章，陳楊武，劉 健，譚周亮

(1.綿陽師范學院資源環境工程學院，四川 綿陽 621006；2.中國科學院環境與應用微生物重點實驗室，四川 成都 610041；3.綿陽師范學院生命科學與技術學院，四川 綿陽 621006)

0 引言

近年來，隨著我國科學技術的快速發展和高科技產業的快速增長，各類實驗室的數量迅速增加。這些實驗室主要集中在高校、科研機構、檢驗檢測機構和企業的研究部門。實驗室廢水來源主要有三個方面，第一是各類無機、有機、生化實驗的實驗室廢水；第二是各類實驗剩余的、過期的廢棄試劑；第三是用于洗滌、處理各類儀器、設備的洗滌劑及洗滌廢水[1]。其中各類無機、有機廢液或者高濃度有毒廢液、廢棄試劑經過收集，成分相對比較明確而作為危險廢棄物進行了集中統一處理[2]，但部分洗滌劑和洗滌廢水因使用量較大，且大部分處于流動狀態，直接排放的情況比較常見[3]。針對排放的實驗室廢水，因其具有化學成分復雜，可能含有有毒成分，缺乏營養元素氮磷，廢水排放時間和排放水量間歇性強等特點[4-7]，目前國內外還未有成熟的工藝技術進行集中處理[8]。

生物膜-活性污泥復合工藝(IFAS)，兼顧了活性污泥法和生物膜法的優點，可大幅提高生物反應池生物量[9-10]，提高污水系統容積負荷，有效增加系統耐沖擊負荷，減少污泥產量[11-15]。該工藝目前已多用于生活污水[16-19]、工業廢水[20-21]等廢水的生化處理，但在實驗室廢水中的應用還較少。

本文采用一體化IFAS工藝對某科研機構實驗樓排放的實驗室廢水進行處理，探究不同時間段實驗室廢水的產排特征，并通過添加化糞池污水調節實驗室廢水水質水量，考察IFAS工藝對實驗室廢水COD和NH3-N的去除效果，綜合評價了IFAS工藝抗沖擊性能，以期為實驗室廢水處理的實際工程提供技術支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗室廢水來源及水質

廢水來自于某科研機構實驗樓，主要包括實驗樓排放的實驗室廢水和化糞池污水。通過調查和檢測，該實驗樓主要包括藥物化學、植物化學和環境微生物等方向的實驗室，其排放廢水中含有少量的醇類、脂類、醚類、烷烴、部分鹵代烷烴及生物培養基等成分。其廢水性質見表1。

表1 廢水水質及排放標準

1.2 實驗室廢水處理裝置及運行工藝

本研究采用生物膜-活性污泥復合工藝(IFAS)處理實驗室廢水，處理裝置長4.6m，寬1.8m，高2.0m，材質為玻璃鋼。其主要包括中和調節池、兩級IFAS好氧池和沉淀池，兩級IFAS好氧池兼掛有組合式填料，A段好氧池有效容積為2.7m3，B段好氧池有效容積為4.3m3。設計每天運行24h，處理廢水規模為16.8m3/d，工藝運行條件見表2。

圖1 工藝流程圖

表2 系統運行參數

圖2 處理裝置外觀圖

1.3 IFAS工藝的啟動與長期運行效果考察

1.3.1 工藝的啟動與優化調控

采用IFAS工藝處理實驗室廢水，啟動初期，本裝置只進實驗樓的化糞池污水，曝氣采用悶曝的方式，A段好氧池DO控制在4～6mg/L，B段好氧池DO控制在為6～8mg/L；同時，每天定量加入15kg淀粉，以保證有充足的碳源。待工藝處理效果穩定后，將實驗室廢水和化糞池污水分別用泵從集水井打入中和調節池調節水質(實驗室廢水與化糞池污水的比例不斷調節，最終以2∶1的比例進行運行調試，在中和調節池混合后作為反應器進水)，再進入生物處理系統。隨后處理出水流入沉淀池，進行沉淀分離后排入市政管網。

1.3.2 工藝的長期運行性能考察

在IFAS工藝的長期運行中，分析該實驗樓的實驗室廢水在不同時間段的產排特征；同時，在實驗室廢水和化糞池污水在2∶1的配比下，調節實驗室廢水的水質水量，以分析實驗室廢水波動對反應器進水的影響，考察該工藝在長期運行中對COD、NH3-N等污染物的去除效果和抗沖擊性能。最后，對該工藝處理實驗室廢水的運行成本加以對比分析，從經濟上論證其可行性。

1.4 材料與方法

IFAS工藝中的接種活性污泥取自四川省成都市某市政污水處理廠。在運行過程中，每天對反應器進水、出水及兩級IFAS好氧池的COD、NH3-N、pH、MLSS等指標進行檢測分析，各水質指標檢測所用試劑(碘化汞、碘化鉀、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、硫酸汞、硫酸亞鐵銨、重鉻酸鉀、硫酸銀等)均為分析純。COD、NH3-N、MLSS等均采用標準方法[22]測定，pH、溫度、DO由便攜式pH計和哈希便攜式多功能水質測定儀測定。

2 結果與討論

2.1 實驗室廢水的產排特征分析

本研究中，實驗室廢水產排特征如圖3所示。由圖3分析可知，不同時段下實驗室廢水的COD波動幅度大。其具體表現為：①從實驗室廢水的平均日變化來分析，9∶30—18∶00 時段內時間與COD濃度變化大致呈正相關，其9∶30、13∶00和18∶00 COD濃度的平均值分別為79.18mg/L、224.40mg/L、267.48mg/L。②從實驗樓上班與下班時間方面來分析，每天上班時間實驗室廢水的COD濃度高于下班時間，周一至周五高于周末休假時間。另外，在同一時刻下實驗室廢水的COD濃度也不穩定。實驗室廢水在9∶30、13∶00和 18∶00 時刻COD波動范圍分別為13.88～196.99mg/L，64.42～766.99mg/L和55.39～493.72mg/L。

圖3 不同時間段實驗室廢水COD濃度變化

2.2 IFAS工藝的啟動與調試

啟動過程中進、出水COD、NH3-N濃度與去除率情況如圖4、圖5所示。啟動5d后，裝置中的活性污泥量明顯增加，沉降性較好，填料上掛膜良好。當COD去除率達60%時，開始進實驗室廢水，實驗室廢水和化糞池污水的比例從最開始的0.3∶1逐漸增加到1∶1，并定時取樣檢測進、出水和好氧池的COD、NH3-N。當反應器進水COD值控制在500mg/L以內時，出水COD可穩定低于100mg/L，出水NH3-N濃度穩定低于15mg/L，COD和NH3-N去除率分別達到80%、70%以上，表明污泥和生物膜已適應實驗室廢水的降解，反應器啟動和載體掛膜成功。

圖4 調試階段COD的去除效果

圖5 調試階段NH3-N的去除效果

2.3 IFAS工藝的長期運行效果考察

根據實驗室廢水在不同時段下COD濃度變化較大的產排特征，且實驗樓每天下班時間和周末的實驗室廢水中的COD濃度相對偏低，理論上可以間歇運行，以降低運行成本，但考慮到部分工作人員加班做實驗的現象，所以本裝置每天24h連續進水運行，以保障裝置中活性污泥的活性和出水的穩定。

圖6顯示了IFAS工藝穩定運行時實驗室廢水與反應器進水(13∶00)COD濃度對比情況。由圖6可看出，實驗室廢水波動范圍為64.42～766.99mg/L(均值為224.40mg/L)，IFAS系統進水波動范圍為76.46～403.36mg/L(均值為203.23mg/L)，明顯可以對比出實驗室廢水遠遠高于反應器進水的波動幅度，且COD容積負荷范圍從0.15～1.84kg/m3·d變為0.18～0.97kg/m3·d，COD最高容積負荷降低了47.29%。這也表明實驗室廢水與化糞池污水以2∶1進水配比后，有利于對實驗室廢水的水質水量進行調節，關兵等人[23]研究也發現將高濃度廢水和低濃度廢水混合后進行綜合處理，這樣既能降低構筑物的處理負荷，又能確保廢水達標排放。同時，添加化糞池污水可以為實驗室廢水補充N、P等營養物質，有助于增強IFAS工藝對污染物的去除效果[24]，以保障反應器在實驗室廢水的沖擊負荷下，出水穩定達標。

圖6 實驗室廢水與反應器進水(13∶00)COD對比

另外，此次研究屬于室外工程應用，反應器穩定運行后(從第9d開始)，NH3-N進出水平均值分別為50mg/L和10mg/L，平均去除率達到80%左右。因其出水氨氮穩定達標，后期未繼續對NH3-N變化進行相關研究。分析了穩定運行期間反應器進出水水質，處理系統對COD的去除效果如圖7所示。由圖7可知，反應器進水COD濃度為76.46～403.36mg/L(均值為203.23mg/L)，IFAS工藝處理后的出水濃度為2.10～83.58mg/L(均值為31.85mg/L)，COD平均去除率為83.13%。經過IFAS工藝處理后，出水COD濃度均可達到《GB8978-1996污水綜合排放標準》中的一級排放標準，且對COD有較穩定的去除性能。

圖7 穩定運行期間COD的去除效果

在系統穩定運行的1～30d，進水COD處于76.46～403.36mg/L(均值為194.34mg/L)，出水COD為2.10～58.00mg/L(均值為27.74mg/L)，去除率為66.67%～99.10%(均值為84.01%)，當進水COD陡增至403.36mg/L時，COD去除率更是高達93.17%。在運行過程中，系統共受到了7次不同強度的COD進水波動沖擊(圖7)，但沖擊后系統快速恢復到穩定運行，顯示出了良好的耐沖擊負荷能力。

在系統穩定運行的31～41d，反應器進水COD濃度為162.24～328.39mg/L(均值為219.13mg/L)，IFAS處理后的出水濃度為19.13～83.58mg/L(均值為38.74mg/L)，COD去除率在60.21%～92.89%(均值為81.68%)。與1～30d相比，進水COD濃度和去除率的變化相差不大，但第33d的出水COD濃度為83.58mg/L，達到了穩定運行期間的最高值，其較1～30d的平均出水COD濃度(27.74mg/L)增加了201.30%。在此階段主要考慮是受到有毒有害物質的影響，趙慶[25]在處理石化廢水研究中發現，系統經受有毒有害物質的沖擊時，應停止進水，向裝置中加入蔗糖，降低曝氣池曝氣量，使微生物得到適當的恢復，然后在2～9d緩慢增加進水量，直至完全恢復。同時，可以通過延長HRT，削弱苯胺對硝化菌的毒性作用[26]。因此，本研究在第35d停止進水，降低曝氣池曝氣量；第36d開始恢復只進化糞池污水0.5m3/h，反應器HRT由穩定狀態的10h延長至14h；第37d將實驗室廢水與化糞池污水的進水比例恢復為2∶1，系統迅速恢復至穩定運行的狀態。分析其原因，一方面由于IFAS系統的生物量高、污泥負荷小，優于傳統的活性污泥系統[27]。另一方面由于生物膜為固著生長，遭受沖擊負荷時，內層的生物膜因有外層膜的緩沖，受到的毒害作用要小，恢復也快[28]；同時，IFAS系統中懸浮相和附著相的微生物豐富多樣，且均勻，也有利于其抗沖擊負荷能力的提高[29]。

2.4 運行成本分析

本工藝處理實驗室廢水實現了全自動運行，無需任何人工維護和管理。每天的直接運行費用只有曝氣風機、兩臺進水提升泵和污泥回流泵等工作產生的電費。曝氣風機功率為0.75kW，兩臺進水提升泵的功率均為0.35kW，污泥回流泵功率為0.55kW，其中污泥回流泵每天實際運行時間合計1h，電價按0.60元/kWh計算，則合計每天的電費(1.45×24+0.55)×0.60=21.21元，其處理成本僅為1.26元/m3。與其他處理技術相比，傳統的物理化學方法處理費用昂貴[30-31]，不適于廣泛推廣；組合工藝技術處理實驗室廢水在處理效果與前期投入方面也存在一些不足。龐志華等人[32]采用了“混凝沉淀-接觸氧化-過濾-人工濕地”組合處理工藝對某環境科研所分析實驗室廢水處理的運行費用也保持在1.20元/m3左右，但其前期投入費用高，出水受季節影響波動大。因此，IFAS工藝處理實驗室廢水，具有簡單高效、低成本、操作方便等優點，值得推廣應用。

3 結論

為解決某科研機構實驗樓實驗室廢水的達標排放問題，本研究通過現場應用，對IFAS工藝處理實驗室廢水的可行性進行了研究，同時考察了在2∶1添加條件下系統的處理效果和抗沖擊性能，得出以下結論：

(1)不同時段下實驗室廢水的COD濃度變化波動大。從平均日變化分析，COD濃度隨著上班時間的增加而濃度上升；從上班與下班時間來分析，每天上班時間實驗室廢水的COD濃度高于下班時間，周一至周五高于周末休假時間。

(2)采用添加化糞池污水方式處理實驗室廢水，研究發現實驗室廢水與化糞池污水在2∶1配比進水條件下，有利于對實驗室廢水的水質進行調節，并為實驗室廢水補充了N、P等營養物質，有助于增強IFAS工藝對污染物的去除效果，保障IFAS工藝在實驗室廢水的沖擊負荷下，出水穩定達標。

(3)IFAS工藝處理實驗室廢水，反應器啟動快，第9d開始其出水COD、NH3-N濃度均達到了《GB8978-1996污水綜合排放標準》中的一級排放標準，其運行成本僅需1.26元/m3。因此，該工藝處理實驗室廢水從技術和經濟上都是可行的。

(4)在實際運行中，IFAS系統在實驗室廢水COD濃度波動和有毒有害物質的沖擊時，出水均穩定達標，證明IFAS系統具有良好的耐沖擊負荷性能。